Система автоматизированного контроля наполнения и опорожнения цементных хранилищ

 

Изобретение относится к средствам контроля количества и расхода цемента, находящегося в открытых и закрытых емкостях. Необходимая точность определения величины заполнения хранилища обеспечивается благодаря использованию принципа температурных измерений в емкости цементного хранилища и автоматизированной обработки полученных результатов с помощью вычислительных средств. 5 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к средствам контроля количества и расхода цемента, находящегося в открытых и закрытых емкостях, а также может быть использовано для определения уровня и профиля других сыпучих и вязких сред.

Известны различные типы уровнемеров, применяемых для контроля уровня сыпучих материалов в резервуарах и силосах [1] Однако, при работе с цементом использование емкостных уровнемеров, содержащих емкостной датчик и вторичный преобразователь электрического сигнала, нецелесообразно из-за значительных колебаний параметров влажности и температуры атмосферной среды в цементном хранилище, из-за колебаний температуры самого цемента, а также налипания цемента на датчик, что приводит к недопустимым погрешностям измерений. Использование ультразвуковых уровнемеров, содержащих акустический излучатель, приемник акустического сигнала и вторичный преобразователь, в цементных емкостях не дает удовлетворительных результатов из-за значительной и непостоянной по величине запыленности цементных хранилищ, что приводит к низкой точности измерений. Применение радиоизотопных уровнемеров, содержащих источник излучения с радиоактивным веществом, датчик излучения и вторичный преобразователь, в промышленности строительных материалов небезопасно с точки зрения экологии и охраны труда, а также не обеспечивает необходимой точности измерений из-за налипания цемента на стенки емкости, что на практике приводит к невозможности определения уровня материала в нижней части хранилища.

Наиболее близким к изобретению устройством является датчик уровня сыпучих материалов [2] содержащий подвеску-звукопровод, расположенную в цементной емкости, блок питания, генератор импульсов, электромагнитный возбудитель колебаний, узел цифрового преобразования уровня, связанный с блоком визуального отображения информации.

Недостатком названного устройства является низкая точность измерений из-за непостоянства величины глубины проникновения акустического сигнала с звукопроводе за границу раздела воздушной среды с цементом, которая зависит, в частности, от температуры и от плотности цемента в верхней части хранилища.

Задача изобретения повышение точности определения величины заполнения хранилища.

Указанная задача решается тем, что система автоматизированного контроля наполнения и опорожнения цементных хранилищ, содержащая расположенную в емкости хранилища подвеску, узел цифрового преобразования уровня с блоком питания и соединенным с ним генератором импульсов и блок визуального отображения информации, снабжена термочувствительными датчиками, дополнительными подвесками, блоком вычисления уровня наполнения емкости хранилища и блоком документального отображения информации, а в узел цифрового преобразования уровня введены блок коммутации, аналого-цифровой преобразователь и контроллер, первые и вторые входы которых соединены с блоком питания и генератором импульсов, при этом термочувствительные датчики размещены на подвесках и подключены к информационным входам блока коммутации, выход которого соединен с третьим входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к третьему входу контроллера, выход которого является выходом узла цифрового преобразования уровня и соединен с входом блока вычисления уровня наполнения емкости хранилища, выходы которого подключены к блокам визуального и документального отображения информации.

Дополнительное повышение точности определения величины заполнения хранилища достигается тем, что термочувствительные датчики в подвесках расположены на не совпадающих по высоте уровнях емкости хранилища.

А также тем, что подвески расположены в различных частях хранилища во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях.

Кроме того задача решается тем, что каждая подвеска содержит внешнюю оболочку, внутри которой расположены несущий трос и провода в изоляционных оболочках, а термочувствительные датчики электрически присоединены к проводам, при этом внешняя оболочка выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например, из тефлона или термоусадочных материалов или литого полиэтилена.

И тем, что в качестве термочувствительных датчиков используются терморезистивные датчики.

Наконец, решение задачи достигается тем, что вторые выходы терморезистивных датчиков объединены и соединены с выходом блока коммутации, который содержит несколько групп мультиплексоров с объединенными общим электродом выходами, при этом в каждой из групп соответствующие управляющие входы мультиплексоров объединены и соединены с соответствующими им выходами генератора импульсов, информационные входы мультиплексоров любой группы, кроме последней, соединены с входами синхронизации каждого из мультиплексоров следующей группы, а информационные входы мультиплексоров последней группы являются информационными входами блока коммутации.

Изобретение основано на использовании температурных измерений в емкости цементного хранилища и автоматизированной обработке полученных результатов с помощью вычислительных средств.

На фиг. 1 представлена общая схема системы автоматизированного контроля наполнения и опорожнения цементных хранилищ; на фиг. 2 функциональная структурная схема системы; на фиг. 3 конструкция подвески с термочувствительными датчиками (общий вид, продольный и поперечный разрезы); на фиг. 4 электрическая схема подвески с терморезистивными датчиками; на фиг. 5 структурная схема коммутации датчиков; на фиг. 6 схема многоуровневой коммутации датчиков; на фиг. 7 экспериментальные кривые распределения температуры по высоте емкости цементного хранилища.

Система автоматизированного контроля наполнения и опорожнения цементных хранилищ включает в себя расположенные в емкости хранилища 1 подвески 2, содержащие термочувствительные датчики 3, узел цифрового преобразования уровня 4, включающий в свой состав блок питания 5, генератор импульсов 6, блок коммутации 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и контроллер 9, а также линию связи 10, блок вычисления уровня наполнения емкости хранилища 11, блоки визуального 12 и документального 13 отображения информации.

Подвески 2 закрепляются в верхней части хранилища 1 и частично погружены в цемент 14, а частично находятся в воздушной среде 15. Заключенные внутри подвесок 2 термочувствительные датчики 3 электрически соединены с узлом цифрового преобразования уровня 4, обеспечивающим обработку и передачу информации в блок вычисления уровня наполнения емкости хранилища 11, связанный со средствами визуального отображения (индикаторы, монитор) 12 и блоком документирования информации (печатающее устройство) 13.

Любые варианты расположения подвесок 2 и термочувствительных датчиков 3 в емкости 1 отвечают содержанию настоящего изобретения. Например, для определения профиля заполнения емкости 1 подвески 2 располагаются в различных частях хранилища 1 во взаимно ортогональных вертикальных плоскостях. Для повышения точности измерения уровня подвески 2 устанавливаются так, что термочувствительные датчики 3 на них располагаются на не совпадающих по высоте уровнях (как это изображено на фиг.1) емкости хранилища 1, при этом подвески 2 могут находиться как в различных частях хранилища 1, так и рядом друг с другом.

Изображенная на фиг. 2 структурная схема представляет функциональные связи в системе. Блок питания 5 и генератор импульсов 6 связаны со всеми функциональными частями узла цифрового преобразования уровня 4. Термочувствительные датчики 3 подключены к информационным входам блока коммутации 7, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого соединен с входом контроллера 9, который через линию связи 10, например, кабельную, связан с блоком вычисления уровня наполнения емкости хранилища 11.

Фиг. 3 представляет один из вариантов конструкции подвески 2 с термочувствительными датчиками 3. Подвеска 2 содержит внешнюю оболочку 16, выполненную из материала с низкой теплопроводностью для получения минимальных искажений локальной величины температуры цемента и обладающего стойкостью к температурам порядка 100^оС, которыми может обладать загружаемый в хранилище 1 цемент 14. Такими материалами являются, например, тефлон, литой полиэтилен, термоусадочные материалы. Стержнем подвески 2 служит несущий трос 17, расположенный внутри внешней оболочки 16 и окруженный проводами в изоляционных оболочках 18. К проводам 18 электрически присоединены, например, припаяны, термочувствительные датчики 3. Область присоединения 19 изображена на продольном разрезе фиг. 3. Термочувствительные датчики 3 располагаются под внешней оболочкой 16, защищающей их от механических повреждений. Для создания механической жесткости конструкции подвески 2, чтобы предотвратить отделение внешней оболочки 16 от троса 17 во время выгрузки цемента 14, используются корды заполнители 20 (фиг.3), выполненные, например, из теплостойкого полиэтилена. Провода 18 в области крепежного конца несущего троса 17 (фиг.3), собираются в единый жгут и заканчиваются электрическим разъемом 21, подсоединяемым к узлу цифрового преобразования уровня 4.

На фиг. 4 изображена электрическая схема подвески 2 с использованием терморезистивных датчиков 3, одни выводы которых объединены общим проводом 18 подвески 2, а другие вместе с выходом общего провода 18 соединены с контактами разъема ХS1 21.

Различные варианты организации и принципа действия блока коммутации 7 термочувствительных датчиков 3 не изменяют содержания настоящего изобретения. Например, один из вариантов для терморезистивных датчиков представлен на фиг. 5, в котором объединенные выводы датчиков 3 соединены с выходом блока коммутации 7, а остальные с его информационными входами.

Вариант реализации блока коммутации 7 для большого числа датчиков 3 (фиг.5) иллюстрирует схема многоуровневой коммутации (фиг.6). Здесь блок коммутации 7 содержит несколько групп (уровней) мультиплексоров MS. На фиг. 6 в качестве примера изображены три уровня I, II, III, (группы) мультиплексоров, с четырьмя информационными входами у каждого. У всех МS выходы объединены общим электродом, например, заземлены. Соответствующие управляющие входы всех MS в группе объединены и соединены с соответствующими им выходами (разрядами) генератора импульсов 6. У мультиплексоров первого уровня I со старшими разрядами (то есть наименьшей частотой выхода), у МS последнего уровня III с младшими разрядами (наибольшей частотой выхода), для промежуточных уровней в соответствии с указанной закономерностью. Информационные входы МS любой группы кроме последней III соединены с входами синхронизации каждого из мультиплексоров следующей группы. Информационные входы мультиплексоров последней группы III являются информационными входами блока коммутации 7, соединенными с выводами датчиков 3. Входы синхронизации мультиплексоров первой группы I могут быть связаны с генератором импульсов 6 или с другими внешними управляющими блоками.

Работа системы автоматизированного контроля наполнения и опорожнения цементных хранилищ происходит следующим образом.

Термочувствительные датчики 3 на подвесках 2, расположенных в емкости цементного хранилища 1, испытывают воздействие температуры окружающей их области цемента 14 или воздушной среды 15. В результате в зависимости от величины локальной температуры изменяются их электрические параметры, например, сопротивление для терморезистивных датчиков.

Вторичное преобразование информации о температуре, поступающей с датчиков 3, происходит в узле цифрового преобразования уровня 4. Блок коммутации 7 осуществляет опрос термочувствительных датчиков 3 в порядке и с частотой, задаваемой генератором импульсов 6, который задает и синхронизирует рабочие частоты также и других функциональных блоков 8 и 9 узла цифрового преобразования уровня 4.

В варианте, изображенном на фиг. 5, блок коммутации 7 работает в ключевом режиме, подключая только выбранные датчики в электрическую цепь узла цифрового преобразования уровня 4, в то время, как для остальных датчиков 3 электрическая цепь оказывается разомкнутой в блоке коммутации 7.

Работа схемы многоуровневой коммутации большого числа датчиков 3 (фиг. 6), происходит следующим образом. На вход синхронизации мультиплексора MS первой группы I поступает сигнал, разрешающий передачу информации с одного из его информационных входов на выход. Номер информационного входа, подключаемого к находящемуся под заданным потенциалом выходу, определяется кодом на управляющих входах мультиплексора, соединенных со старшими разрядами сигналов, следующих с генератора импульсов 6. При согласованной подаче управляющих сигналов на вход синхронизации и управляющие входы осуществляется последовательное подключение информационных входов MS к его выходу. В результате соединения информационных входов рассматриваемого MS со входами синхронизации мультиплексоров следующей по номеру группы в каждый момент времени только в одном из MS следующей группы будет разрешена передача информации с одного из его информационных входов на выход указанного MS следующей группы. Поскольку выходы всех MS блока коммутации 7 объединены общим электродом, например, заземлены, а частота сигналов, следующих на управляющие входы MS от генератора импульсов 6, возрастает с увеличением номера группы MS, возможна реализация режима последовательного подключения к собственному заземленному выходу информационных входов в каждом MS в сочетании с последовательным опросом всех MS в группе.

Таким образом, за счет многоуровневой организации блока коммутации 7, малое число MS младших групп, управляя входами синхронизации увеличивающегося числа MS старших групп, обеспечивает последовательный (или при соответствующем способе управления выборочный) опрос большого числа терморезистивных датчиков 3, первые выходы которых подключаются к информационным входам мультиплексоров последней группы.

Аналоговый сигнал на выходе блока коммутации 7 преобразуется в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя 8. Форма представления цифровой информации на выходе аналого-цифрового преобразователя 8 согласуется с требуемым форматом ввода ее в блок вычисления уровня наполнения емкости хранилища 11 с помощью контроллера 9, который осуществляет обмен информацией через линию связи 10, например, в стандартном формате последовательного интерфейса RS 232.

После математической обработки в блоке вычисления уровня 11 информация отображается в удобной человеку-оператору форме: на индикаторе или мониторе 12, или в виде документа с помощью печатающего устройства 13. Математическая обработка состоит в определении уровня расположения скачка температуры в граничной области цемент 14 воздушная среда 15, приводящего к существенно различным величинам электрических параметров датчиков 3, находящихся в указанных средах, с учетом особенности цементных хранилищ, состоящей в наличии неоднородности (вплоть до немонотонности изменения) температуры цемента 14 по высоте заполненной им емкости 1 (фиг.7).

Формула изобретения

1. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ НАПОЛНЕНИЯ И ОПОРОЖНЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ХРАНИЛИЩ, содержащая расположенную в емкости хранилище подвеску, узел цифрового преобразования уровня с блоком питания и соединенным с ним генератором импульсов и блок визуального отображения информации, отличающаяся тем, что она снабжена термочувствительными датчиками, дополнительными подвесками, блоком вычисления уровня наполнения емкости хранилища и блоком документального отображения информации, а в узел цифрового преобразования уровня введены блок коммутации, аналого-цифровой преобразователь и контроллер, первые и вторые входы которых соединены с блоком питания и генератором импульсов, при этом термочувствительные датчики размещены на подвесках и выходами подключены к информационным входам блока коммутации, выход которого соединен с третьим входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к третьему входу контроллера, выход которого является выходом узла цифрового преобразования уровня и соединен с входом блока вычисления уровня наполнения емкости хранилища, выходы которого подключены к блокам визуального и документального отображения информации.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что термочувствительные датчики в подвесках расположены на не совпадающих по высоте уровнях емкости хранилища.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что подвески расположены в различных частях хранилища во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждая подвеска содержит внешнюю оболочку, внутри которой расположены несущий трос и провода в изоляционных оболочках, а термочувствительные датчики электрически присоединены к проводам, при этом внешняя оболочка выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например, из тефлона, или термоусадочных материалов, или литого полиэтилена.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве термочувствительных датчиков используются терморезистивные датчики.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что другие выходы терморезистивных датчиков объединены и соединены с выходом блока коммутации, который содержит несколько групп мультиплексоров с объединенными общим электродом выходами, при этом в каждой из групп соответствующие управляющие входы мультиплексоров объединены и соединены с соответствующими им выходами генератора импульсов, информационные входы мультиплексоров любой группы, кроме последней, соединены с входами синхронизации каждого из мультиплексоров следующей группы, а информационные входы мультиплексоров последней группы являются информационными входами блока коммутации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7